張萬鵬，永野宏治，羅紹河

（1．河南理工大學資源環(huán)境學院，河南 焦作 454000；2.室蘭工業(yè)大學，日本 北海道室蘭市 050-8585）

0 引 言

干熱巖是一種沒有水或蒸汽的高溫巖體，主要為變質(zhì)巖或結(jié)晶類巖體[1]。目前，開發(fā)干熱巖主要利用水力壓裂法制造人工熱儲層，可以利用微地震法、化學示蹤劑等方法反演出人工熱儲層的空間三維分布[2]。其中，微地震法被廣泛應用，微地震探測技術(shù)通過分析在水力壓裂過程中所獲取的聲發(fā)射信號，計算聲發(fā)射源位置。但由于地下構(gòu)造非均質(zhì)，信號傳播速度為變量；因此，計算得出的微震源位置往往存在較大誤差。

近接型相似微地震對是水力壓裂實驗中產(chǎn)生的一種特殊的聲發(fā)射信號。通常情況下，近接型相似微地震對被作為普通聲發(fā)射事件對待，其中蘊含的信息沒有得到充分的利用。本文通過解析近接型相似微地震對，計算出了震源的相對坐標，比單獨標定獲得的震源坐標有更高的精度。另外，在近接型相似微地震對中，兩個事件的持續(xù)時間短，時間間隔小，可以忽略地震波在傳播過程中傳播介質(zhì)變化所產(chǎn)生的影響，相對震源坐標的標定結(jié)果將更加精確，據(jù)此可以準確把握人工裂隙網(wǎng)的局部構(gòu)造特征。

1 微地震事件和近接型相似微地震對

Soultz地熱田位于法國東北部阿爾薩斯區(qū)的萊茵地塹邊緣，該地區(qū)干熱巖的巖性為花崗巖，埋藏深度為2～4km，在地下3.8km左右溫度達到168℃[3]。本文分析了1995～1996年在Soultz地熱田進行水力壓裂過程中所獲得的聲發(fā)射信號。如圖1所示，GPK2為壓裂井，在壓裂井周圍，共設(shè)計4550、4601、4616和EPS1 4個觀測井，并分別在井中布置傳感器，其中觀測井EPS1內(nèi)放置的傳感器為hyd1。實驗中共記錄聲發(fā)射事件15236個，數(shù)據(jù)文件長度為1.638s，采樣頻率為 5000Hz[4]。

圖1 1995～1996年Soultz地熱田水力壓裂實驗中觀測井及壓裂井的布置

圖2 為水力壓裂實驗中所記錄的聲發(fā)射事件的波形圖。圖2（a）只包含一個聲發(fā)射事件，P波和S波的到達時間分別為0.67s和0.91s，這種事件被稱為“微地震事件”。圖2（b）中，第2個事件在第1個事件完全衰減之前到達，第2個事件的P波與第1個事件的S波疊加，并且兩個事件的波形相似，稱這種事件為“近接型相似微地震對”。本文以近接型相似微地震對為研究對象，計算出地震對之間的相對坐標，根據(jù)其相對關(guān)系可進一步探究人工裂隙網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造情況。

2 P波的到達時間間隔

進行近接型相似微地震對中兩個微地震事件相對震源坐標的標定，必須得到兩個微地震事件的P波到達時間間隔[5]。由于近接型相似微地震對中第2個事件的P波與第1個事件的S波疊加，因此難以在時域里直接判斷出第2個事件中P波的到達時間。本文采用倒頻譜分析法判定近接型相似微地震對P波的到達時間間隔。在解析微地震信號過程中，涉及到較為復雜的數(shù)值計算和繪圖要求，本文以Matlab為平臺，進行信號處理程序的編制和圖形的繪制。

圖2 微地震事件和近接型相似微地震對

2.1 倒頻譜

倒頻譜是對信號的功率譜取對數(shù)，然后進行傅里葉變換得到的，是關(guān)于倒頻率的函數(shù)，倒頻率的量綱為時間。在時域內(nèi)，信號的疊加為卷積關(guān)系，難以分離，但通過計算信號的倒頻譜，可以將復雜的卷積關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚暮偷年P(guān)系，疊加的信號得以分離[6-7]。近接型相似微地震對的倒頻譜圖中呈現(xiàn)出兩個峰值，峰值在倒頻率軸上對應的時間，分別代表兩個微地震事件中P波和S波的到達時間間隔[8]，而只包含一個聲發(fā)射事件的信號，其倒頻譜圖中不會出現(xiàn)明顯的峰值。

圖3 微地震事件及近接型相似微地震對的倒頻譜圖

圖 3（a）是圖2（a）中所表示的微地震事件的倒頻譜圖，可以看出，圖中沒有明顯的峰值。圖3（b）為圖2（b）中所表示的近接型相似微地震對的倒頻譜圖，可以看出，有個明顯的峰值。圖3（c）為圖3（b）的局部放大圖，圖中有兩個相鄰的峰值，兩個峰值在倒頻率軸上所對應的時間分別代表近接型相似微地震對P波和S波的到達時間間隔，但僅從倒頻譜圖中無法判斷哪個峰值所對應的時間代表P波的到達時間間隔。

2.2 時間-倒頻率解析法

時間-倒頻率解析法結(jié)合了信號在時域和倒頻域中的性質(zhì)，為了區(qū)分出近接型相似微地震對的倒頻譜圖中代表P波到達時間間隔的峰值，在分析過程中，選取不同時間長度的窗函數(shù)截除第2個微地震事件中的S波成分，保留第1個微地震事件和第2個微地震事件的P波成分[8]，此時，倒頻譜圖中只剩下一個峰值，這個峰值所對應的時間即為近接型相似微地震對中P波的到達時間間隔。

圖4介紹了時間-倒頻率分析法的原理和具體操作步驟，其中所解析的近接型相似微地震對為人工合成信號。兩個事件中P波的到達時間被設(shè)定為3s和7s，S波的到達時間被設(shè)定為4s和8.004s，因此P波和S波的到達時間間隔分別為4s和4.004s。在實際分析過程中，很難判斷出第2個聲發(fā)射事件中S波的準確到達時間，因此不可能直接選出合適長度的窗函數(shù)剛好完全截除S波。首先，需要判斷出第2個事件中S波的大概到達時間，然后在這個時間點周圍選擇不同時間長度的窗函數(shù)，重復截取信號，直到完全消除S波的影響，同時注意保留第2個事件的P波成分。圖4中，在8s附近選取3個窗函數(shù)截取合成信號，圖 4（a）～圖 4（c）為信號被截取后相應的倒頻譜圖?？梢钥闯觯S著第2個事件的S波成分被截除，倒頻譜圖中右邊的峰值下降較快、變化較大；因此，可以判定右邊的峰值對應的時間為S波的到達時間間隔，左邊的峰值對應時間為P波的到達時間間隔。

圖4（d）為信號的時間-倒頻率-倒頻譜三維表示圖，橫軸為時間，縱軸為倒頻率，倒頻譜的值用不同的顏色表示,每種顏色有其對應的數(shù)值。合成信號中，第2個事件的P波和S波到達時間為7s和8s，從圖4（d）中可以看出，在時間軸上，7s和8s附近分別開始出現(xiàn)兩條彩色條帶，其中上面那條較寬，下面那條較窄，這兩條彩色條帶在倒頻率軸上對應的值大約為4s。

2.3 時間-倒頻率-倒頻譜三維表示圖

圖4 時間-倒頻率分析法概念圖

在實際分析過程中，由于受到噪聲的干擾，信號的倒頻譜圖中會出現(xiàn)多個峰值。為避免噪聲產(chǎn)生的影響，分析時，結(jié)合時間-倒頻率-倒頻譜三維表示圖，綜合多方面特點，可以提高判斷的準確度。在時間-倒頻率-倒頻譜三維表示圖中，代表P波和S波到達時間間隔的峰值是連續(xù)的，且倒頻譜值較大，而噪聲的倒頻譜圖時常間斷，倒頻譜值較小，兩者在圖中顯示出較大的色彩差異，易于區(qū)分。一般情況下，代表P波到達時間間隔的峰值比代表S波到達時間間隔的峰值在時域里的到達時間要早；代表S波到達時間間隔的峰值在倒頻域中所占有的范圍比P波寬。根據(jù)這些性質(zhì)，可以將代表P波到達時間間隔的峰值和代表S波到達時間間隔的峰值區(qū)分開來。

圖5 近接型相似微地震對和時間-倒頻率-倒頻譜三維表示圖

圖5為所檢出的近接型相似微地震對和相應的時間-倒頻率-倒頻譜三維表示圖，圖中標出了代表P波和S波到達時間間隔的峰值，可以看出，兩個峰值連續(xù)，跟周圍噪聲相比有明顯的色差。結(jié)合信號的倒頻譜圖，可以得出P波到達時間間隔的準確值。經(jīng)解析，相應的P波到達時間間隔為0.2784s。

3 相對震源坐標的標定

在1995～1996年Soultz地熱田水力壓裂實驗所觀測到的微地震事件中，利用倒頻譜解析法共檢出近接型相似微地震對66個，進行時間-倒頻率解析，結(jié)合時間-倒頻率-倒頻譜三維表示圖，其中4個觀測點都可以判斷出P波到達時間間隔的近接型相似微地震對有5個。假定地下構(gòu)造均質(zhì)，P波傳播速度為5850m/s，利用Master-event法[4]標定出近接型相似微地震對的相對震源坐標。標定過程中，第1個事件的絕對坐標使用Moriya et al.的分析結(jié)果[4]。

圖6 微地震事件的絕對坐標及近接型相似微地震對的相對震源坐標表示

圖6 中的紅色散點為微地震事件位置的空間展布，箭頭為5個近接型相似微地震對的相對位置關(guān)系在空間三平面上的投影，箭尾和箭頭分別代表第1個聲發(fā)射事件源和第2個聲發(fā)射事件源的位置。箭頭所指示的方向為裂隙的進展方向，即為該局部的最大地應力方向，從圖中可以看出，裂隙的進展方向基本符合人工裂隙網(wǎng)絡(luò)的走向和傾向。由此驗證，基于倒頻譜解析法計算得出的近接型相似微地震對的相對坐標是正確的。

4 結(jié)束語

經(jīng)解析1995～1996年Soultz地熱田水力壓裂實驗中所獲取的聲發(fā)射事件的原始數(shù)據(jù)，標定出5個近接型相似微地震對的相對震源坐標，在空間三平面表示出了其相對位置關(guān)系，結(jié)合Moriya et al[4]所得到的第1個微地震事件的絕對坐標，發(fā)現(xiàn)5個近接型相似微地震對的相對位置關(guān)系所反映出的裂隙進展方向符合人工裂隙網(wǎng)絡(luò)的整體走向和傾向，表明利用倒頻譜解析法分析近接型相似微地震對是可行的；進而根據(jù)近接型相似微地震對的相對位置關(guān)系，可以判斷出人工裂隙網(wǎng)絡(luò)局部的裂隙進展方向，對于局部地應力的分析及以后生產(chǎn)井的設(shè)計有指導意義。這項研究不僅在干熱巖的開發(fā)，而且在以人工壓裂實驗為基礎(chǔ)的低滲透油氣藏和煤層氣的開發(fā)中也有較高的實際應用價值。

近接型相似微地震對的數(shù)量在所記錄聲發(fā)射信號文件中所占比列較小，通過其分析結(jié)果去了解所反映的局部構(gòu)造具有一定的局限性，在以后的試驗工作中應嘗試增加檢波器數(shù)量及適當延長聲發(fā)射信號記錄時間的方法，用以提高記錄可用近接型相似微地震對事件的概率，以便得到更有價值的結(jié)果。

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